Возможно ли создание вечного двигателя на неодимовых магнитах?

Кто из нас в детстве не пытался или хотя бы не размышлял о том, чтобы построить вечный двигатель на постоянных магнитах? Казалось бы, если магниты отталкиваются друг от друга одноименными полюсами, то, наверное, можно найти такую конфигурацию магнитов, когда отталкивание станет действовать непрерывно, и сможет, например, вращать ротор «вечного» двигателя.

Perpetuum Mobile — это машина, которая выполняет работу без внешнего источника энергии и при этом никогда не останавливается. Единственная поданная энергия — это начальный импульс, который приводит в действие машину. С теоретической точки зрения вечный двигатель также получается, когда КПД машины превышает 100%.

Однако, стоило нам попробовать реализовать эту идею практически, как тут же выяснялось, что в реальности ротор все равно находит такое положение, в котором останавливается. Словно ротор и вращался лишь для того, чтобы в конце концов найти эту точку и остановиться в ней. То есть неизбежно наступало устойчивое равновесие ротора.

Стремление термодинамических систем к равновесию

И это вовсе не удивительно, ведь ученым давно известно, что термодинамические системы стремятся к равновесию, и в конце концов пребывают в устойчивом равновесии (статическом или динамическом).

Из механики мы знаем, что тело покоится либо движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют никакие внешние силы, либо если действие этих внешних сил на тело скомпенсировано, то есть суммарная сила равна нулю (результирующее внешнее воздействие отсутствует).

Как вы понимаете, принцип стремления термодинамических систем к равновесию относится и к чисто механическим системам. Так, если система изначально пребывает в устойчивом равновесии (и конструкция с постоянными неодимовыми магнитами не является исключением), то при воздействии на такую конструкцию внешнего фактора, выводящего систему из равновесия, неизбежно возникнет реакция со стороны данной системы.

Это значит, что в системе начнут усиливаться процессы, стремящиеся уменьшить влияние внешнего фактора, который систему из равновесия вывел (Принцип Ле Шателье — Брауна).

Модель магнитного генератора индийского блогера с канала Creative Think:

Чтобы вызвать стремление к равновесию, необходимо создать условия не равновесия

Известный пример из электродинамики — правило Ленца. Если бы правило Ленца не работало, то электродвигатели не могли бы функционировать (смотрите — Виды электрических двигателей и принципы их работы).

В электродвигателе электрический ток создает магнитное поле, которое заставляют ротор непрерывно искать равновесие, и чтобы ротор не останавливался, магнитное поле все время действует таким образом, что вынуждает ротор (даже под механической нагрузкой) постоянно догонять точку, в которой должно будет наступить равновесие.

Но при этом электрическим полем, действующим в проводниках, совершается работа, то есть расходуется энергия источника, ведь в двигателе есть как минимум трение вала о подшипники, на преодоление которого, даже если ротор не нагружен и двигатель работает вхолостую, требуется работа, то есть расход энергии.

Если бы трения (даже о воздух) не было, и вал не был бы нагружен, то ротор бы вращался очень долго, например в полном вакууме в отсутствие силы притяжения к Земле. Но тогда никакая работа этим ротором бы уже не совершалась, и это был бы уже не двигатель, а вращающийся без сопротивления кусок металла.

Вернемся теперь к постоянным магнитам. Для системы с постоянными магнитами предсказать направление протекания процесса уравновешивающей реакции несложно.

Так, еще в 90-е годы японский экспериментатор Кохеи Минато исследовал возможность создания непрерывного вращения используя постоянные магниты на роторе и статоре своего мотора. В конце концов он был вынужден также создавать изменяющееся магнитное поле, которое заставляло бы ротор искать равновесие.

Минато демонстрировал, как приближая или отдаляя постоянный магнит, можно вынудить ротор с постоянными магнитами вращаться. Но в итоге он просто дошел в экспериментах до двигателя с постоянными магнитами на роторе.

Никакого вечного двигателя не получилось. На изменение внешнего магнитного поля, от которого бы отталкивался ротор с магнитами, требуется энергия извне. То есть, для создания условий, в которых ротор с магнитами будет искать равновесие, необходимо параллельно совершать работу.

Еще одна модель магнитного генератора с Интернета:

Динамическое равновесие при низкотемпературной сверхпроводимости как частный случай

Рассмотрим крайний случай. Многие знают, что свинцовая катушка с током, помещенная в жидкий гелий, способна поддерживать ток (и магнитное поле тока) на протяжении многих лет, поскольку сопротивление проводника исчезает.

Почему сопротивление исчезает? Потому что колебания атомов в металле, обуславливающие электрическое сопротивление металла, прекращаются при критической температуре. Две такие катушки будут вести себя по отношению друг к другу как постоянные магниты. Но опять же, они найдут устойчивое равновесие и остановятся.

Движения под действием силы не будет, то есть двигателя совершающего работу не получится. Движущиеся в сверхпроводнике электроны также работы не совершают, хотя и пребывают в устойчивом динамическом равновесии.

Чтобы двигатель совершал работу — он обязан расходовать энергию, но откуда ей взяться?

Допустим, что двигатель на постоянных магнитах реально возможен. Тогда для совершения механической работы, то есть на перемещение какого-нибудь объекта под действием силы со стороны вала такого двигателя (даже на преодоление силы трения при вращении ротора вхолостую), необходимо преобразование некой энергии внутри двигателя.

А что это за энергия, если не энергия постоянных магнитов или не энергия подводимая извне? Раз по условию задачи энергия извне не подводится, значит остается энергия постоянных магнитов.

Однако, будучи просто расположены на роторе и статоре, магниты энергию не отдадут. Чтобы заставить магнит размагничиваться, необходимо совершить работу, то есть опять же подвести к устройству энергию извне. Остается делать выводы.

Источник

Устройство и принцип работы двигателя на постоянных магнитах

Двигатели на протяжении многих лет используются для преобразования электрической энергии в механическую различного типа. Эта особенность определяет столь высокую его популярность: обрабатывающие станки, конвейеры, некоторые бытовые приборы – электродвигатели различного типа и мощности, габаритных размеров используются повсеместно.

Основные показатели работы определяют то, какой тип конструкции имеет двигатель. Существует несколько разновидностей, некоторые пользуются популярностью, другие не оправдывают сложность подключения, высокую стоимость.

Двигатель на постоянных магнитах используют реже, чем асинхронный вариант исполнения. Для того, чтобы оценить возможности этого варианта исполнения, следует рассмотреть особенности конструкции, эксплуатационные качества и многое другое.

Устройство

Электродвигатель на постоянных магнитах не сильно отличается по виду конструкции.

При этом, можно выделить следующие основные элементы:

1. Снаружи используется электротехническая сталь, из которой изготавливается сердечник статора.
2. Затем идет стержневая обмотка.
3. Ступица ротора и за ней специальная пластина.
4. Затем, изготовленные из электротехнической стали, секции редечника ротора.
5. Постоянные магниты являются частью ротора.
6. Конструкцию завершает опорный подшипник.

Как любой вращающийся электродвигатель, рассматриваемый вариант исполнения состоит из неподвижного статора и подвижного ротора, которые при подаче электроэнергии взаимодействую между собой. Отличие рассматриваемого варианта исполнения можно назвать наличие ротора, в конструкцию которого включены магниты постоянного типа.

Принцип работы

Принцип работы рассматриваемого варианта исполнения основан на создании центробежной силы за счет магнитного поля, которое создается при помощи обмотки. Стоит отметить, что работа синхронного электродвигателя схожа с работой трехфазного асинхронного двигателя.

К основным моментам можно отнести:

1. Создаваемое магнитное поле ротора вступает во взаимодействие с подаваемым током на обмотку статора.
2. Закон Ампера определяет создание крутящего момента, который и заставляет выходной вал вращаться вместе с ротором.
3. Магнитное поле создается установленными магнитами.
4. Синхронная скорость вращения ротора с создаваемым полем статора определяет сцепление полюса магнитного поля статора с ротором. По этой причине, рассматриваемый двигатель нельзя использовать в трехфазной сети напрямую.

В данном случае, нужно в обязательном порядке устанавливать специальный блок управления.

В зависимости от особенностей конструкции, существует несколько типов синхронных двигателей. При этом, они обладают разными эксплуатационными качествами.

По типу установки ротора, можно выделить следующие типы конструкции:

1. С внутренней установкой – наиболее распространенный тип расположения.
2. С внешней установкой или электродвигатель обращенного типа.

Постоянные магниты включены в конструкцию ротора. Их изготавливают из материала с высокой коэрцитивной силой.

Эта особенность определяет наличие следующих конструкций ротора:

1. Со слабо выраженным магнитным полюсом.
2. С ярко выраженным полюсом.

Кроме этого, конструкция ротора может быть следующего типа:

1. Поверхностная установка магнитов.
2. Встроенное расположение магнитов.

Кроме ротора, также следует обратить внимание и на статор.

По типу конструкции статора, можно разделить электродвигатели на следующие категории:

1. Распределенная обмотка.
2. Сосредоточенная обмотка.

По форме обратной обмотке, можно провести нижеприведенную классификацию:

1. Синусоида.
2. Трапецеидальная.

Подобная классификация оказывает влияние на работу электродвигателя.

Преимущества и недостатки

Рассматриваемый вариант исполнения имеет следующие достоинства:

1. Оптимальный режим работы можно получить при воздействии реактивной энергии, что возможно при автоматической регулировке тока. Эта особенность обуславливает возможность работы электродвигателя без потребления и отдачи реактивной энергии в сеть. В отличие от асинхронного двигателя, синхронный имеет небольшие габаритные размеры при той же мощности, но при этом КПД значительно выше.
2. Колебания напряжения в сети в меньшей степени воздействую на синхронный двигатель. Максимальный момент пропорционален напряжению сети.
3. Высокая перегрузочная способность. Путем повышения тока возбуждения, можно провести значительное повышение перегрузочной способности. Это происходит на момент резкого и кратковременного возникновения дополнительной нагрузки на выходном валу.
4. Скорость вращения выходного вала остается неизменной при любой нагрузке, если она не превышает показатель перегрузочной способности.

К недостаткам рассматриваемой конструкции можно отнести более сложную конструкцию и вследствие этого более высокую стоимость, чем у асинхронных двигателей. Однако в некоторых случаях, обойтись без данного типа электродвигателя невозможно.

Как сделать своими руками?

Провести создание электродвигателя своими руками можно только при наличии знаний в области электротехнике и наличия определенного опыта. Конструкция синхронного варианта исполнения должна быть высокоточной для исключения возникновения потерь и правильности работы системы.

Зная то, как должна выглядеть конструкция, проводим следующую работу:

1. Создается или подбирается выходной вал. Он не должен иметь отклонений или других дефектов. В противном случае, возникающая нагрузка может привести к искривлению вала.
2. Наибольшей популярностью пользуются конструкции, когда обмотка находится снаружи. На посадочное место вала устанавливается статор, который имеет постоянные магниты. На валу должно быть предусмотрено место для шпонки для предотвращения прокручивания вала при возникновении серьезной нагрузки.
3. Ротор представлен сердечником с обмоткой. Создать самостоятельно ротор достаточно сложно. Как правило, он неподвижен, крепится к корпусу.
4. Механической связи между статором и ротором нет, так как в противном случае, при вращении будет создавать дополнительная нагрузка.
5. Вал, на котором крепится статор, также имеет посадочные места для подшипников. В корпусе имеется посадочные места для подшипников.

Электродвигатели имеют сложную конструкцию, питание от сети 220 Вольт обуславливает соблюдение определенных норм при их создании. Именно поэтому, для того, чтобы быть уверенным в надежной работе подобного механизма, следует покупать варианты исполнения, созданные на заводах по выпуску подобного оборудования.

В научных целях, к примеру, в лаборатории для проведения испытаний по работе магнитного поля часто создают собственные двигатели. Однако они имеют небольшую мощность, питаются от незначительно напряжения и не могут быть применены в производстве.

Рекомендации

Выбор рассматриваемого электродвигателя следует проводить с учетом следующих особенностей:

1. Мощность – основной показатель, который влияет на срок службы. При возникновении нагрузки, которая превосходит возможности электродвигателя, он начинает перегреваться. При сильной нагрузке, возможно искривление вала и нарушение целостности других компонентов системы. Поэтому следует помнить о том, что диаметр вала и другие показатели выбираются в зависимости от мощности двигателя.
2. Наличие системы охлаждения. Обычно особого внимания на то, как проводится охлаждение, никто не уделяет. Однако при постоянной работе оборудования, к примеру под солнцем, следует задуматься о том, что модель должна быть предназначена для продолжительной работы под нагрузкой при тяжелых условиях.
3. Целостность корпуса и его вид,год выпуска – основные моменты, на которые уделяют внимание при покупке двигателя бывшего употребления. Если имеются дефекты корпуса, велика вероятность того, что конструкция имеет повреждения и внутри. Также, не стоит забывать о том, что подобное оборудование с годами теряет свой КПД.
4. Особое внимание нужно уделятькорпусу, так как в некоторых случаях можно провести крепление только в определенном положении. Самостоятельно создать посадочные отверстия, приварить уши для крепления практически невозможно, так как нарушение целостности корпуса не допускается.
5. Вся информация об электродвигателе находится на пластине, которая прикрепляется к корпусу. В некоторых случаях, есть только маркировка, по расшифровке которой можно узнать основные показатели работы.

В заключение отметим, что многие двигатели, которые были произведены несколько десятилетий назад, зачастую проходили восстановительные работы. От качества проведенной восстановительной работы зависят показатели электродвигателя.

Источник